Recently, it has been proposed to increase the transmission speed of each channel in wavelength-division-multiplexed (WDM) optical networks to 100 Gb/s. It appears that this technology will be standardized in the next few years by Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), International Telecommunication Union (ITU), and Optical Internetworking Forum (OIF). However, due to the limited performances of the currently available optical and electrical components, it is extremely difficult to increase the transmission speed to 100 Gb/s. In addition, to increase the total transmission capacity of each fiber, it is highly desirable to accommodate these high-speed channels within the channel spacing used in the current WDM networks (i.e., 50 GHz). To solve these problems, there are many discussions to utilize the polarization-division-multiplexed (PDM) differential quadrature phase shift keying (DQPSK) format for the 100-Gb/s transmission systems. However, when the present optical networks, mostly utilizing 10-Gb/s on-off keying (OOK) signals in 50-GHz spacing, are upgraded with the 100-Gb/s signals in PMD DQPSK format, the performance of this high-speed channel can be seriously affected by the co-propagating 10-Gb/s OOK signals. The objective of this thesis is to evaluate this potential degradation of PDM-DQPSK signals caused by the co-propagating 10-Gb/s OOK signals. In this thesis, we evaluate the effects of 10-Gb/s OOK signals on the co-propagating 80-Gb/s PDM-DQPSK signals.
We first implement a hybrid optical transmission system using a 80-Gb/s PDM-DQPSK signal and eight 10-Gb/s OOK signals spaced at 50 GHz. These signals are transmitted over 640-km long single-mode fiber (SMF) link implemented by using eight 80-km long amplifier spans. We then measure the Q-factor as a function of the input optical power. In the case when we transmit only the 80-Gb/s PDM-DQPSK signal without 10-Gb/s OOK signals, the Q-factor is improved as we increase the input optical power. However, when we increase the input optical power to be larger than 0 dBm, the Q-factor is deteriorated due to the self-phase modulation. On the other hand, in the case when we transmit the 80-Gb/s PDM-DQPSK signal together with 8 channels of 10-Gb/s OOK signals, the optimum input optical power is substantially reduced to about -5 dBm. This degradation is caused by mostly two nonlinear phenomena: nonlinear phase shift and nonlinear birefringence. The physical mechanisms behind the nonlinear phase shift and nonlinear birefringence are the changes of refractive index caused by the intensity modulated signal, resulting in the changes of the intensity and the polarization of the affected signal, respectively. To evaluate the effects of these nonlinear phenomena, we compare the performances of 80-Gb/s PDM-DQPSK, 40-Gb/s PDM-DQPSK, and 40-Gb/s DQPSK signals with and without the co-propagating eight 10-Gb/s OOK signals by measuring their Q-penalties. The results show that, if the baud rates are same, the performance of the PDM signal is more seriously deteriorated due to the effect of nonlinear birefringence. We also find that the 80-Gb/s PDM-DQPSK has a better performance than the 40-Gb/s PDM-DQPSK signal, since the effect of the nonlinear birefringence becomes more significant when the transmission speed of the tributary of the PDM signal is same with the co-propagating 10-Gb/s OOK signals.
최근 파장분할다중방식(WDM) 광 네트워크의 각 채널 전송속도를 100 Gb/s로 증가시키는 방안이 제안되었다. 이 기술들은 다음 수년 안에 IEEE, ITU, OIF 등에 의해 표준화될 것으로 보인다. 그러나, 현재 사용 가능한 광 및 전기 소자들의 제한된 성능으로 인하여 100 Gb/s 이상의 전송속도를 내는 것은 어려운 과제이다. 또한, 총 전송용량을 증가시키기 위해서는 이러한 고속 채널은 현재 파장분할다중방식 네트워크에서 사용되는 50 GHz 채널 간격 안에서 사용되어야만 한다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 편광분할다중(PDM) 차동4위상변조방식(DQPSK)을 이용한 100 Gb/s 전송에 관한 많은 논의들이 있었다. 하지만, 현재 광 네트워크에서는 가장 많이 사용되는 10 Gb/s OOK 신호를 100 Gb/s PDM-DQPSK신호로 업그레이드 할 경우, 이 고속 채널의 성능은 같이 전송되는 10 Gb/s OOK 신호에 의해 심각하게 영향받을 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 80 Gb/s PDM-DQPSK 신호가 같이 전송되는 10 Gb/s OOK 신호에 의한 잠재적인 성능 열화에 대해 분석할 것이다.
우리는 먼저 50GHz 채널 간격을 갖는 80Gb/s PDM-DQPSK 신호와 8개의 10Gb/s OOK 신호를 이용하여 혼합된 광전송시스템을 구현하였다. 이 신호들을 증폭기가 포함된 80km 길이의 스팬 8개를 이용하여 구현한 640km 단일모드광섬유 링크를 통해 전송하였다. 각 링크에 들어가는 입력 광 파워에 따른 Q 값을 측정하였다. 10Gb/s OOK 신호 없이 80Gb/s PDM-DQPSK 신호만을 전송 했을 때, Q 값은 입력 광 파워가 증가함에 따라 향상되는 것을 보였다. 하지만, 입력 광 파워가 0dBm 이상인 경우 self-phase modulation에 의해 Q 값이 저하되는 것을 볼 수 있었다. 반면에, 80Gb/s PDM-DQPSK 신호를 8개의 10Gb/s OOK 신호와 함께 전송하는 경우 약 입력 광 파워가 -5dBm 일 때부터 Q 값의 저하 현상을 볼 수 있었다. 이것은 비선형 위상 천이와 비선형 복굴절, 이 두 가지 비선형 현상에 의한 영향이다. 두 현상의 물리적인 원인은 세기가 변하는 OOK 신호의 영향으로 전송되는 광섬유의 굴절률이 변화하기 때문이다. 이러한 비선형 현상의 영향들을 보고자 80Gb/s PDM-DQPSK 신호, 40Gb/s PDM-DQPSK 신호, 40Gb/s DQPSK 신호를 10Gb/s OOK 신호들과 전송하였을 때 나타나는 패널티를 비교해 보았다. 그 결과, 만약 보드 전송률이 같은 경우 PDM 신호는 비선형 복굴절에 의한 영향이 더 큰 것으로 판단되었다. 또한 80Gb/s PDM-DQPSK 신호가 40Gb/s PDM-DQPSK 신호보다 더 좋은 성능을 가짐을 볼 수 있었다. 그것은 함께 전송되는 10Gb/s OOK 신호와 전송률이 같은 경우 비선형 위상 천이 현상이 발생할 확률이 상대적으로 많아지기 때문이다.
